6月8日，Nature Plants 期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱健康研究組題為Epigenetic memory marks determine epiallele stability at loci targeted by de novo DNA methylation 的研究論文。該研究首次發(fā)現(xiàn)DNA從頭甲基化的改變也能穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象，并闡明了DNA甲基化和組蛋白修飾等多種表觀遺傳修飾機(jī)制共同決定了從頭甲基化通路—RdDM依賴的表觀等位基因的形成分子機(jī)制。

DNA甲基化作為真核生物中最常見的表觀遺傳修飾之一，其信息能否跨代傳遞對維持表觀基因組穩(wěn)定性和表觀等位基因的形成及傳代都是至關(guān)重要的。作為植物中的從頭甲基化通路，RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）通路負(fù)責(zé)所有序列類型（CG，CHG，CHH，H代表A，C，T）的DNA甲基化的從頭建立。通常認(rèn)為該通路靶位點(diǎn)處DNA甲基化的改變是不能穩(wěn)定遺傳的，但全基因組范圍內(nèi)DNA從頭甲基化的跨代遺傳情況尚不清楚。

RNA聚合酶Pol IV負(fù)責(zé)產(chǎn)生的24-nt siRNA是RdDM途徑的關(guān)鍵一環(huán)。該研究通過分析模式植物擬南芥Pol IV最大亞基NRPD1敲除突變體轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)株系的DNA甲基化恢復(fù)情況，將RdDM靶位點(diǎn)分為兩類：甲基化丟失后可以恢復(fù)的CD位點(diǎn)和不能恢復(fù)的ND位點(diǎn)。生物信息學(xué)分析表明CD和ND位點(diǎn)的多種遺傳及表觀遺傳特征是不同的。相較于CD位點(diǎn)，ND位點(diǎn)富含較高水平的活性染色質(zhì)標(biāo)記，如組蛋白H3K4me3修飾和H3K18ac修飾;另一方面，不同于ND位點(diǎn)在nrpd1突變體中幾乎丟失了所有序列類型的DNA甲基化，CD位點(diǎn)在突變體中依然保留了部分CG以及CHG甲基化。這些特征可能導(dǎo)致了它們在DNA甲基化丟失后恢復(fù)過程中的不同表現(xiàn)。

研究人員通過敲除組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶將部分ND位點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)镃D位點(diǎn)，證明ND位點(diǎn)處較高水平的H3K4me3修飾會阻礙RdDM組分的招募。此外，敲除DNA去甲基化酶ROS1后也會導(dǎo)致部分ND位點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)镃D位點(diǎn)，表明較高水平的H3K18ac修飾可能通過招募DNA去甲基化酶到ND位點(diǎn)進(jìn)行去甲基化，進(jìn)而阻礙RdDM通路在此處建立DNA甲基化。研究人員進(jìn)一步利用CRISPR/dCas9-TET1cd表觀基因組定點(diǎn)編輯系統(tǒng)對nrpd1突變體中特定CD位點(diǎn)保留的mCG和mCHG進(jìn)行定向去甲基化，之后即使恢復(fù)NRPD1基因的正常功能，也不能在這些位點(diǎn)從頭起始DNA甲基化，證明了CD位點(diǎn)在nrpd1突變體中保留的CG和CHG甲基化可以作為記憶標(biāo)記招募RdDM組分。

該研究揭示了從頭（de novo）DNA甲基化穩(wěn)定遺傳的機(jī)制，為深入了解表觀等位基因的形成及穩(wěn)定遺傳提供了線索。

朱健康研究組博士生李靜雯為論文的第一作者，朱健康為論文的通訊作者。該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。